预喷射对轿车柴油机燃烧噪声影响的数值模拟

王 亚, 赵昌普, 王耀辉

(天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室 天津 300072)

预喷射对轿车柴油机燃烧噪声影响的数值模拟

王 亚, 赵昌普, 王耀辉

(天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室 天津 300072)

应用CFD模拟软件STAR-CD构建三维燃烧室对轿车柴油机进行模拟计算，重点研究了预喷射和发动机压力升高率之间的关系，而压力升高率是燃烧噪声的主要评价因素.根据原机设计了预喷规律，在主喷正时和喷油压力不变的情况下，加上预喷射，通过改变预喷量和预主喷间隔角等参数来研究预喷射对噪声的影响.结果表明：预喷量可以显著降低主喷阶段的压力升高率，从而减小发动机的燃烧噪声；而预、主喷间隔角对燃烧噪声的影响不大.

柴油机；预喷射；燃烧噪声

机动车辐射的噪声约占整个环境噪声的75%，是目前环境噪声中的主要噪声源.其中发动机噪声又是汽车噪声的主要部分，主要包括空气动力噪声、机械噪声和燃烧噪声.而对于车用柴油机，燃烧噪声是其主要噪声源，因此控制柴油机燃烧噪声，对于降低环境噪声具有重要意义.

如今，共轨喷油系统已经广泛应用在轿车柴油机上，一些可以调整的参数，如喷油提前角、喷油持续期和喷油压力都独立于发动机的转速和负荷[1].共轨喷油系统的出现，为研究多次喷射对发动机燃烧的影响提供了可能[2].试验结果表明：燃烧噪声随缸内压力升高率或最大压力升高率的增大而增大.缸内燃烧的压力升高率越高，柴油机工作越粗暴，噪声就越大.通常将缸内压力升高率作为评价燃烧噪声的指标.压力升高率主要取决于滞燃期以及在滞燃期内形成的可燃混合气的数量，因此要控制燃烧噪声，必须尽可能地缩短滞燃期[3].大量实验表明，预喷射是解决上述问题的有效手段[4-8].

预喷射就是在主喷射之前的某一时刻喷入少量的燃油.在主喷射前用预喷射去诱发冷焰效应，当燃油喷到活化的气体氛围中时，冷焰效应促进燃烧，缩短了主喷射燃油的着火延迟期，减少了预混合燃油量，延缓了主喷射燃油的燃烧过程，缸内温度和压力升高率将大幅度降低，可以改善柴油机的燃烧性能.

笔者用STAR-CD软件构建三维燃烧室模型来模拟研究预喷射对轿车柴油机噪声的影响情况.研究目的主要是降低发动机的燃烧噪声，同时不会明显影响柴油机的性能[9-10]，为改善柴油机的燃烧噪声提供参考资料.

1 发动机参数及设置

在一台轿车用废气涡轮增压、中冷、4缸柴油机上进行模拟分析，本款发动机的主要技术参数如表1所示.

表1 发动机主要技术参数

图1为利用STAR-CD模拟分析软件建立的三维计算网格，图中计算网格分别是活塞位于上止点和下止点的情况.

模拟计算从压缩冲程上止点前130 °CA开始，到上止点后120 °CA 结束.定义上止点对应的曲轴转角为360 °CA，因此计算区间为230～480 °CA.将扇形网格周向两面定义为循环边界，其余面定义为壁面边界.在模拟计算中，设定发动机转速为1 500 r/min，涡流比为1.8，喷油压力160 MPa，保持壁面的初始温度不变.为了获得较高的计算精度，计算过程中设定计算步长为0.1 °CA，整个压缩过程和膨胀过程的计算总步数为2 500.表2为设定的壁面边界温度以及相应参量的松弛因子.

图1 活塞位于上止点和下止点的计算网格

表2 边界条件

壁面温度边界条件活塞表面温度：520K缸盖表面温度：500K气缸壁表面温度：475K其他因子设定动量松弛因子：04压力松弛因子：02湍流松弛因子：03温度松弛因子：035

图2给出了1 500 r/min、75 %负荷下，缸压的计算结果和试验结果的对比情况.从图中可以看出，试验值和计算值吻合情况较好，试验缸压峰值约为16.5 MPa，计算峰值约为16.2 MPa，试验值比计算值高大约1.8 %，在误差合理范围内，可以用该模型进行计算模拟.

图2 缸压的试验值和计算值

2 预喷方案的设置

利用STAR-CD模拟仿真软件构建三维燃烧室模型并对轿车柴油机预喷进行模拟分析.预喷参数定义如图3所示.在模拟时，保证喷油压力、主喷时刻以及原机的总喷油量不变(原机总喷油量为34 mg，喷油正时为9 °CA BTDC)，改变预喷量和预、主喷间隔角来分析预喷对燃烧噪声的影响.具体预喷方案如表3所示.

图3 预喷参数情况

表3 预喷方案

预喷量(占总喷油量的质量百分比)预主喷间隔角/℃A5%8101210%8101215%81012

3 计算结果及分析

首先，在预主喷间隔角不变时，研究改变预喷量对缸内压力以及压力升高率的影响.由于变化情况类似，因此以预主喷间隔角10°CA为例，变动预喷量(分别为5%、10%和15%)，分析缸内压力和压力升高率的变化，如图4所示.从图4中可以看出，无预喷的喷油方式中，由于滞燃期较长，着火前形成的可燃混合气数量就多，这些燃料在燃烧过程的第二阶段几乎同时燃烧，致使气缸压力升高率和最高燃烧压力都比较高，压力大会产生较大的机械负荷，压力升高率大会对发动机局部瞬时产生较大冲击力，这些因素引起机构振动产生很大的燃烧噪声.但是加上预喷后，最高缸压略有降低并随着预喷量的加大而升高；最大压力升高率都比原机有明显下降，可以显著降低燃烧噪声，因为预喷射喷入的少量燃油的燃烧使得燃烧室被加热，缩短了随后进行的主喷射的着火滞燃期而使预混合燃烧比率减少，同时预喷的燃烧气体被雾化的主喷油束卷吸而稀释了燃油与空气的混合浓度，有效地减缓了燃烧速率，进而降低压力升高率，改善燃烧噪声.压力升高率随着预喷量的加大而升高，是由于预喷燃油燃烧放热提高了主喷前缸内的压力所致.所以，预喷量较小时，可以更好改善燃烧噪声.

图4 不同预喷量的缸压和压力升高率变化曲线

下面研究预喷量不变的情况.图5是预喷量为10%时，不同的预主喷间隔角(8 °CA、10 °CA和12 °CA)对应的缸压和压力升高率曲线.从图5中看出，在加预喷后，缸内压力峰值和最大压力升高率都比原机有所下降.但是在预喷量一定时，不同的预、主喷间隔角对压力峰值的影响不太明显.

预喷量固定后，预主喷间隔角越大，对应的缸压曲线会相对越早地抬升并脱离无预喷的缸压曲线，预主喷间隔角越小则相对晚地抬升并脱离无预喷的缸压曲线.这是因为预主喷间隔角越大时，预喷射会更早的进行，预喷的燃油有充分时间进行燃烧，燃烧会带来缸内压力和温度的升高，而且燃烧越提前，缸内压力值也就越高.但是，随着预喷燃烧的发展，主喷燃烧开始进行，不同预主喷间隔角对应的压力差别值就会逐渐缩小，最终慢慢重合.这是因为主喷射在预主喷间隔角较大的条件下进行时，缸内的温度和压力比预主喷间隔角较小时的高，主喷射的燃油在这样的环境下喷入气缸，缩短了滞燃期，形成的预混合气较少；而预主喷间隔角较小时，主喷燃油在燃烧之前经历了一个相对较长的滞燃期，形成了较多的预混合气，当预混燃烧进行时，这些较多的预混合气进行燃烧会较大程度地提高缸内压力，这就缩小了与预主喷间隔角较大时压力值之间的差距；随着主喷燃烧的进行，不同预主喷间隔角的压力曲线逐渐趋于一致，它们的峰值也基本重合.

图5 不同预主喷间隔角下的缸压和压力升高率变化曲线

图6是原机的最大压力升高率约为1.4 MPa/℃A.从图6中可以看出，加预喷时，最大压力升高率始终低于无预喷时的最大压力升高率，可以改善缸内的燃烧噪声.更加清晰的看出预主喷间隔角对最大压力升高率影响不大，而预喷量对最大压力升高率影响较大，随预喷量的增大而增大.因此，采取预喷射降低燃烧噪声时，应选择小预喷量的预喷方案.就研究工况来看，选择预喷量为5%，预主喷间隔角为8 °CA时较好.

图6 预喷量和预主喷间隔角对最大压力升高率的影响

4 结 论

1)以轿车柴油机为研究对象，构筑三维模型来模拟分析预喷射对压力升高率的影响.而压力升高率是燃烧噪声评价的主要因素.

2)预喷射的作用主要在于缩短了随后进行的主喷射的着火滞燃期而使预混合燃烧比率减少，同时预喷的燃烧气体被雾化的主喷油束卷吸而稀释了燃油与空气的混合浓度，有效地减缓了燃烧速率，进而降低压力升高率，改善燃烧噪声.

3)通过模拟分析，可以得出预喷可以降低车用柴油机的噪声，其中预喷量对噪声影响比较大，噪声随着预喷量的加大而增大，而预主喷间隔角对噪声影响不大，可以忽略.

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Numerical Simulation of Pre-injection on Combustion Noiseof Car Diesel Engine

WANG Ya, ZHAO Chang-pu， WANG Yao-hui

(State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072,China)

By using the STAR-CD software, a three-dimensional combustion chamber of a car diesel engine is constructed for mainly doing research on the relationship between the pre-injection and the rise rate of its cylinder pressure, in which the rate is one of the main evaluation factors on the combustion noise. A pre-injection law is designed for the original engine. Keeping both the main-injection timing and the injection pressure unchanged, the influence of the injection process on the combustion noise is studied by adjusting the pre-injection quantity and the interval angles of between the pre-injection and the main injection. The results show that the appropriate pre-injection amount could significantly reduce the rise rate of its cylinder pressure at the main iniection stage and thereby reduce the combustion noise of the engine, and that the interval angle has little influence on its combustion noise.

diesel engine;pre-injection;combustion noise

1009-4687(2016)04-0006-04

2016-4-21

王 亚(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为发动机的燃烧与优化.

U464.136

A